Технологический процесс изготовления кварцевой галогенной малогабаритной лампы типа КГМ 220-500

Введение

По принципу работы галогенные лампы относятся к классу тепловых источников света, в которых излучение света является результатом нагрева тела накала до высоких температур электрическим током. Датой рождения ламп накаливания принято считать 1872 г., когда русский инженер А. Н. Лодыгин сконструировал и получил привилегию на «Способ и аппараты дешевого электрического освещения». Лампа Лодыгина состояла из цилиндрической стеклянной оболочки, из которой откачали воздух и в которую герметично вмонтировали тонкий угольный стержень. Такие лампы имели низкую световую отдачу, не превышающую 2—3 лм/Вт.

В последующие десятилетия творческая мысль ученых была направлена на изыскание новых материалов, пригодных для использования в качестве тела накала. Появились лампы с телом накала из тантала, иридия, осмия, молибдена. В 1910 г. был разработан металлокерамический метод изготовления тонких вольфрамовых нитей. До сего времени вольфрам является незаменимым материалом для тела накала, совершенствуются лишь технология изготовления тела накала и его конструктивное оформление. В 1913 г. для повышения световой отдачи ламп накаливания при неизменном сроке службы тело накала стали выполнять в виде вольфрамовой моноспирали, а в 30-х годах стали применять и биспираль.

Важно было также создать необходимые условия работы тела накала в лампе. Известно, что вольфрам быстро окисляется в атмосфере воздуха. Поэтому с первых шагов создания ламп накаливания встал вопрос о технике откачки воздуха и создании условий герметизации стеклянной оболочки ламп. Анализ исторического пути развития ламп накаливания показывает, что их прогресс был неотъемлемо связан с прогрессом в области вакуумной техник. Успехи, Достигнутые в первые десятилетий 20-го столетия в области получения и применения вакуума, позволили значительно усовершенствовать конструкцию ламп накаливания и методы их изготовления Световая отдача вакуумных ламп с вольфрамовым телом какала значительно возросла по сравнению с лампами с угольным телом накала. Обеспечение хорошей вакуума в лампах позволило увеличить продолжительность горения до 1000 ч. Вакуумные лампы накаливания нашли широкое применение. И до сего времени, несмотря на создание новых, более эффективных конструкций многие типы ламп изготовляются в вакуумном исполнении и являются незаменимыми во многих случаях.

Тем не менее, существенным недостатком вакуумные ламп является сравнительно низкая световая отдач; в связи с невозможностью эксплуатации тела накал; при температурах выше 2600—2800 К, при которых испарение вольфрама сильно возрастает. В условиях вакуума вольфрам беспрепятственно испаряется и осаждается на внутренние стенки колбы (оболочки), приводящие к резкому снижению светового потока.

Одним из путей противодействия испарению вольфрама является наполнение ламп азотом и инертными газами — аргоном, криптоном и ксеноном. Появление газонаполненных ламп явилось следующим крупным шагом в направлении дальнейшего совершенствования конструкции ламп и повышения их эффективности.

Однако газовое наполнение в лампах накаливания не устраняет вредного действия термического испарения вольфрама, оно лишь значительно его уменьшает. Следовательно, если термическое испарение вольфрама является неизбежным физическим процессом, необходимо каким-то образом очищать стенки оболочек от оседающих частичек вольфрама.

И решение было найдено: стали применять так называемый галогенный цикл. Благодаря введению внутрь ламп определенных добавок к инертному газу создаются возможности и условия для возникновения и протекания таких физико-химических реакций, которые приводят к полной очистке стенок оболочек от оседающего вольфрама и переносу его обратно на тело накала.

Однако неизбежное распыление вольфрама на стенки кварцевых трубок сильно ограничивало срок службы нагревателей; они быстро чернели и оказывались практически непригодными, несмотря на то что тело накала продолжало работать. И тут исследователи «вспомнили» о регенеративных галогенных циклах, которые, как оказалось, давно известны в науке.

Использование галогенов и их соединений в электровакуумных приборах, и в частности в лампах накаливания, имеет давнюю историю. Такие работы были проведены еще задолго до использования вольфрама в лампах. В их основу были положены достаточно изученные к тому времени явления диссоциации галогенных соединений. Необходимость улучшения световых параметров ламп направила мысль исследователей на использование металлических нитей вместо угольных. Поскольку изготовление тонких металлических нитей тоже представляло трудную проблему, то в первую очередь были поставлены работы по металлизации угольных нитей. И тут пригодились галогенные соединения. Способы покрытия угольных нитей путем осаждения металлов из их галогенных солей и окислов оказались удобными.

По сути дела эти же химические процессы соединения и диссоциации имеют место в галогенных лампах.

В настоящее время галогенные лампы получили широкое распространение. Они используются для осветительных установок жилых зданий, применяются для местного освещения взрывоопасных помещений.

В этом курсовом проекте дано описание устройства и технологического процесса изготовления кварцевой галогенной лампы типа КГ 220−500.

В первой части курсового проекта представлено описание устройства лампы, а также рассмотрены принципиальные особенности работы галогенных ламп накаливания.

Вторая часть охватывает технологический процесс изготовления лампы, ее сборку и испытание.

В третьей части приведен расчет галогенной смеси, которая используется при производстве лампы типа КГ 220−500.

1. Конструкция лампы

1.1 Конструкция кварцевой галогенной лампы Появление кварцевых галогенных ламп накаливания (ГЛН) явилось большим прогрессом в области тепловых источников света. Они являются высокоинтенсивными источниками излучения (с малыми габаритными размерами), благодаря чему нашли широкое применение во многих областях науки, техники и быта. Имеется много примеров того, как использование ГЛН позволило найти принципиально новые технические решения многих интересных задач, которые ранее либо вовсе были невозможны, либо не давали должного эффекта.

В группу линейных галогенных ламп входят лампы, предназначенные для общего специального освещения, для нагрева, сушки, использования в репродукционной технике и для других технологических целей. Общими признаками ламп этой группы являются линейная конструкция, оболочка в виде длинной кварцевой трубки и двустороннее софитное расположение токовых вводов.

На рисунке 1.1 представлен чертеж лампы КГ 220−500.

L — длина лампы — 132 мм.

D — внешний диаметр колбы — 11 мм.

Рисунок 1.1 — Кварцевая галогенная лампа типа КГ 220−500.

1.2 Циклические процессы с участием галогенов в кварцевой галогенной лампе Под вольфрамо-галогенными циклами понимают комплекс химических реакции (процессов), в результате которых частицы вольфрама, испарившиеся с нагретой до высокой температуры поверхности тела накала, перемещаются с помощью галогенов в обратном направлении— из области более низких в область более высоких температур.

Назначение таких циклов — предотвращать почернение оболочки испарившимся с тела накала вольфрамом, сохранять ее чистой, светлой, прозрачной на протяжении всего срока службы ламп. Поскольку, наряду с вольфрамо-галогенным циклом вынужденно создаются благоприятные условия для протекания других посторонних циклов, основной задачей является создание таких конструкции ламп, в которых максимально предотвращалось бы вредное воздействие посторонних циклов.

Иногда вольфрамо-галогенный цикл называют регенеративным: возвращая испарившийся вольфрам назад на тело накала, он как бы «регенерирует» его. Но в действительности он не является таковым, поскольку не способен и не может восстанавливать полностью тело накала в его первоначальном виде. Частицы вольфрама испаряются с одних участков и оседают на другие. Особенно интенсивно испарение происходит с более горячих участков тела накала, образующихся как в результате неравномерного распределения температуры вдоль тела накала из-за охлаждающего действия токовых вводов и поддержек (крючков), так и вследствие отдельных локальных дефектов (например, дефекта диаметра) нити. Галогенный цикл не в состоянии «залечивать» такие дефектные участки вольфрамовой проволоки.

Конечно, желательно иметь тела накала, у которых по всей длине температура была бы одинаковой. В этом случае и испарение и обратное оседание вольфрама были бы практически одинаковыми по всей длине. Однако это невозможно реализовать. «Горячие» точки на поверхности тела накала так и остаются «горячими». Более того, в процессе срока службы относительное превышение их температуры по сравнению с другими участками тела накала может все более и более усиливаться. Таким образом, в процессе работы ламп лишь утоньшается в одних местах и утолщается в других; но благодаря галогенному циклу общая масса вольфрамового тела накала остается практически постоянной. Если в обычных лампах накаливания критическая потерн массы тел накала может служить каким-то критерием срока службы источников света, то в галогенных лампах, как следует из изложенного, этот «фактор» теряет смысл. На срок службы влияет не общее количество испаряющегося вольфрама, или критическая потеря массы тела накала, а температурное поле тела накала, испарение и возврат вольфрама на отдельные участки спирали.

Вольфрамо-галогенные циклы возможны при использовании в качестве транспортирующего средства (переносчика) любого из четырех галогенов — йода, брома, хлора, фтора — и проходят, в принципе, по одинаковой схеме, которую в общем виде можно представить, следующим образом:

_{при низкой температуре}

W+nX W+X_n

^{при высокой температуре}

где X—используемый галоген; п — количество атомов. Схематично упрощенное представление об этих пробах показано на рис. 1. 2

При низкой температуре на стенках оболочки испарившийся вольфрам и галоген образуют химическое вольфрамо-галогенное соединение— галогенид. При определенной температуре это газообразное соединение улетучивается и из-за повышенной концентрации вблизи стенки диффундирует в направлении к раскаленному телу накала. Здесь галогениды диссоциируют на исходные составные части — вольфрам, который оседает на тело накала, и галоген, который в свободном виде движется и обратном направлении к стенке оболочки для соединения с новой порцией вольфрама.

При установившемся процессе в лампе атомы вольфрама могут вообще не достигать стенок оболочки, а соединяться с галогеном в непосредственной близости от нее; тогда почернение оболочки исключается. Но галогенид, разумеется, может образоваться и на самой стенке оболочки.

Однако одновременно с ростом интенсивности цикла растет опасность разрушения более холодных частей тела накала и держателей. Поэтому выбор галогена, а так же его концентрации является сложной задачей, связанной как со сроком службы тела накала и предотвращения разрушения более холодных участков металлических деталей лампы, так и с обеспечением устойчивого процесса протекания указанных химических реакций.

Вольфрамо-галогенные циклы могут быть получены и при использовании не чистых галогенов, а их соединений. Это в основном связано с токсичностью и агрессивностью используемых галогенов, а так же технологическими трудностями их введения в лампу и дозировки.

Экспериментально были найдены наиболее удобные соединения на основе водорода (HI, HBr, HC1) и галогенно-углеводородные (СН_nХ_n)

В настоящее время нашли широкое применение в производстве галогенных ламп бромистый метил (СН₃Вг) и бромидный метилен (СН₂Вг₂).

2 Технологический процесс изготовления кварцевой галогенной лампы

2.1 Физические свойства кварцевого стекла и методы его обработки Значительное уменьшение габаритных размеров галогенных ламп и необходимость создания условий для действия галогенного цикла потребовали наличия высоких температур на стенках оболочки. Все это сделало невозможным применять обычные электровакуумные стекла. Потребовалось использование кварца.

Кварцевое стекло кроме высокой температуры плавления имеет большую прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, малую газопроницаемость, химически инертно к наполняющие газам и галогенным соединениям, имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения и малочувствительно к термоудару, сравнительно хорош., обрабатывается.

Кварц—широко распространенный в природе минерал. Он является одной из кристаллических модификации кремнезема, химический состав которого представляет двуокись кремния SiO₂. В зависимости от состава, структуры, внешнего вида, светопрозрачности и окраски различают виды кремнезема: горный хрусталь агат, дымчатый кварц и др. Чистый кремнезем встречается в природе очень редко. Как правило, кроме двуокиси кремния в зависимости от географического расположения месторождений всегда имеется немало иных сопутствующих минералов, примесей и загрязнении Лучший кварц входит в состав горного хрусталя В чистом виде кварц совершенно бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают структурные дефекты и приводят к разнообразной окраске и ухудшению его физических свойств. В этом смысле горный хрусталь представляет собой, чистый кварц и пригоден без каких-либо дополнительных очисток для варки стекла. Остальные разновидности кварцевого сырья непригодны для получения оптически чистых кварцевых стекол и подвергаются сложному процессу обогащения Сырье сначала промывают, потом следуют процессы дробления, измельчения, рассеивания и отбора частиц затем идут кислотная обработка, промывка дистиллированной водой, сушка и отбор инородных включений.

Кварцевое стекло выплавляется из мелких чистых кристаллов кварца (кварцевого песка). Качество такого стекла зависит от многих факторов, определяемых исходным сырьем, способом получения, а также технологией его переработки. Отметим, что одним из основных трудно устранимых недостатков кварцевого стекла является наличие пузырьков газа, которые в дальнейшем при выработке труб вытягиваются, образуя капилляры.

Кварцевое стекло, представляющее собой плавленый кварц, можно получить различными методами Характерным является то, что многие физические свойств разных видов кварцевого стекла различны несмотря на практически полную идентичность их химического состава: 99,8—99,9% чистой окиси кремния.

За температуру плавления кварца принимают температуру плавления наиболее высокотемпературной модификации кремнезема, равную 1986 К.

Добавим, что кварц проницаем для водорода и гелий это объясняется сравнительно легкой миграцией этих газов в междоузлие кристаллической решетка кварца.

Различают два вида кварцевого стекла — прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное. Непрозрачность кварцу придает большое количество распределенных в нем мелких газовых пузырей диаметром 0,03 — 0,3 мкм, которые рассеивают свет.

Оптически прозрачное кварцевое стекло, изготовленное из горного хрусталя, не содержит видимых газовых включений; поэтому оно совершенно однородно, обладает наименьшим среди стекол показателем преломления (1,4584) и наибольшим светопропусканием, особенно в ультрафиолетовой области спектра.

Кварцевое стекло устойчиво к электронной бомбардировке и радиоактивному облучению.

Для изготовления кварцевых элементов ламп используются кварцевые трубки для источников света, выпускаемые промышленностью. Государственный стандарт регламентирует выпуск трубок длиной 250—1000 диаметрами 4—50 мм и соответственно толщиной стенки 0,8—4,5 мм.

В зависимости от предельных отклонений наружного диаметра, толщины стенки, овальности, конусности, разностенности, стрелы прогиба, а также от показателей внешнего вида трубки выпускаются различных исполнений, классов и категорий. Лучшими являются трубки для которых отклонения по наружному диаметру и толщине стенки являются минимальными. Естествен что для изготовления галогенных ламп они являются наиболее подходящими, хотя и более трудоемкими при выработке; поэтому в повседневной работе часто приходится пользоваться кварцевыми трубками с худшими характеристиками.

Очень важными показателями качества кварцев трубок являются характеристики внешнего вида — наличие полос, посторонних включений, царапин, посечек, трещин, вмятин, рисок и свилей.

Для галогенных ламп, предназначенных для использования в проекционной и прожекторной технике, а также ламп другого назначения, где внешний вид и качество поверхности имеют первостепенное значение, использование кварцевых трубок с дефектами внешнего вида для изготовления оболочек недопустимо.

Основными технологическими процессами обработки кварцевых трубок в процессе изготовления ламп являются обработка пламенем кварцедувных горелок и очистка поверхности.

Кварцевое стекло обрабатывают кислородно-водородным или кислородно-газовым пламенем горелок.

К видимым порокам заготовки из кварцевого стекла относятся газовые пузыри и каналы, остатки графитовой пыли, инородные включения (камни), разноцветные полосы.

Для удаления пузырей и каналов кварцевые трубки проплавляют в пламени горелок путем последовательного разогрева всей длины заготовки до температуры, близкой к размягчению (белого свечения). Проплавленные трубки становятся значительно прозрачнее, так как крупные пузыри и каналы либо исчезают совсем, либо остаются мелкие пузырьки, от которых практически невозможно избавиться и которые не оказывают существенного влияния на внешний вид заготовки.

При размягчении кварцевой трубки пламенем горелки на соседних, менее горячих участках трубки как с внутренней, так и с наружной стороны образуется белый налет, состоящий из мельчайшего порошка кварцевой пыли и представляющий собой испарившуюся и конденсирующуюся окись кремния. Этот налет легко удаляется дополнительным сильным прогревом пламенем горелки. Налет следует удалять по мере его появления путем периодического прогрева участков заготовок где он образовался. Если его не удалять сразу, то налет наращивается другими осаждающимися слоями, утолщается и в дальнейшем избавиться от него очень трудно, а часто и невозможно. Если прогреваемый участок трубки все время находится в состоянии, близком к размягчению, то испаряющаяся окись кремния не сможет конденсироваться и налета не образуется.

В процессе обработки кварцевой трубки нужно стараться, чтобы пламя горелки как можно меньше попадало внутрь заготовки. Это очень важно и потому, что во время сгорания газа в пламени горелки в местах, близких к соплу, образуется вода, которая вступает в реакцию с распыляющейся окисью кремния и другими загрязнениями, выделяющимися из стекла, образуя стойкие кремниевые соединения, избавиться от которых почти невозможно. Если по технологическим соображениям нельзя очистить внутреннюю поверхность трубки от белого налета прогреванием, то ее следует подвергнуть химической очистке путем выдерживания в концентрированной плавиковой кислоте в течение 10−15 мин.

При необходимости защитить какие-либо детали от образования или оседания белого налета рекомендуется использовать защитные экраны, которыми временно закрывают те места, где оседание налета нежелательна.

Случается, что после обработки детали она начинает приобретать молочный цвет, который по мере остывания кварца распространяется «по площади». Это является результатом кристаллизации стекла и начинается в местах, загрязненных солями щелочных и щелочноземельных металлов. Кристаллизация может появиться даже от следов солей, попавших на поверхность трубки от потных рук. Наиболее вероятная температура начала рекристаллизации кварца 1480 К, поэтому перед обработкой пламенем горелок кварцевые заготовки должны быть тщательно обезжирены, промыты и просушены. Это требование полностью остается в силе и для готовых ламп — нельзя брать лампы голыми руками за кварцевую оболочку и перед включением их надо тщательно протирать.

Рекристаллизованные участки кварцевых трубок трудно поддаются восстановлению вторичным прогревом пламенем горелок, даже до температуры размягчения. Такие заготовки подлежат выбракованию. В связи с тем что в процессе разогрева кварц интенсивно светится, необходимо всегда пользоваться защитные, очками с синими стеклами.

Очень важным процессом обработки кварцевых трубок является очистка. Применяют два вида очистки трубок — простую промывку обычной водопроводной водой и химическую обработку поверхности. Промывки проводится для удаления с поверхности трубок различных загрязнений, налетов, а также кварцевой пыли, образующейся при резке и оседающей на стенки заготовок.

Поступающие на производство кварцевые трубки при упаковке и хранении часто загрязняются органическими соединениями. Кроме того, на стенках трубок в результате различных дефектов изготовления имеются механические загрязнения, в первую очередь частицы графита, которые в дальнейшем могут привести к дефектам ламп. Такие частицы прочно удерживаются поверхностью и простой промывкой в воде не снимаются.

Для химической обработки кварцевых трубок используют концентрированную плавиковую кислоту. Заготовки, уложенные в специальные винипластовые кассеты, помещают в ванночку с кислотой до полного погружения и выдерживают в течение 10 —15 мин. После этого кассету с заготовками помещают в ванну для нейтрализации остатков кислоты и тщательно промывают проточной водопроводной водой, затем дистиллированной. Промытые заготовки помещают в низкотемпературную печь и просушивают при температуре 400— 420 К в течение 10—15мин.

Очищенные заготовки должны быть нематовыми, прозрачными, без каких-либо следов загрязнений.

2.2 Кварцевые элементы конструкции ламп В состав конструкции галогенных ламп входят детали, изготовляемые из кварцевого стекла: оболочка, штенгель, мостик, ряд вспомогательных и технологических элементов. Исходными материалами для всех деталей являются в основном кварцевые трубки с различными диаметрами и толщинами стенок (в зависимости от типа и конструкции ламп). Некоторые детали, например, мостики, изготовляются из кварцевых штабиков. Для ряда элементов конструкции трубки используется без каких-либо изменений геометрических размеров и конфигурации. При изготовлении других деталей, в зависимости от их назначения, трубки подвергаются некоторым видоизменениям и служат исходными элементами для других деталей ламп, например чашек которые впоследствии входят в состав оболочки мощных ламп.

В технологию изготовления кварцевых деталей ламп входит ряд первоначальных подготовительных процессов общих для всех деталей: калибровка, резка, промывка трубок.

Калибровка предназначена для сортировки поступающих трубок по наружному и внутреннему диаметрам и толщине стенок. Выпускаемые кварцевые трубки не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемых к лампам; поэтому из всего поступающего кварца приходится отбирать такие трубки, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям конструкции ламп и технологии их изготовления. Допускаемые стандартом отклонения геометрических размеров трубок часто не позволяют оперировать нужным набором деталей. Даже калибровка и отбор не всегда полностью решают эти задачи.

Обычно калибровочные операции проводятся вручную с помощью универсального мерительного инструмента и набора калибров. На электроламповых заводях, использующих трубочное стекло обычных марок в больших количествах, процессы калибровки частично механизированы. Безусловно, имеющиеся станки могут быть использованы и для калибровки кварцевых трубок. Правильные геометрические размеры трубок имеют большое значение как для качественного исполнения ламп, так и для оптимального построения всех технологических процессов их обработки.

Откалиброванные трубки затем нарезаются на заготовки определенной длины в зависимости от типа ламп, ее конструкции и технологического назначения трубок. Резка производится вручную на станках с дисковыми быстровращающимися алмазными или корундовыми кругами толщиной 1—2 мм и диаметром 100−200 мм. Из-за большой твердости кварца при резке всегда необходимо пользоваться водяным охлаждением режущих дисков.

Большое значение имеет правильно подобранная частота вращения дисков, которая в зависимости от диаметров трубок должна быть 2500—3000 об/мин.

Нарезанные заготовки должны иметь минимальный разброс по длине, оговоренный техническими инструкциями, так как это существенно влияет на стабильность режимов дальнейших процессов и на качество их выполнения. Особенно это важно в серийном производстве где имеются точно отработанные инструменты и приспособления. Плоскость среза заготовок должна быть ровной, кромки не должны иметь заусенцев, сколов, трещин и выбоин.

Часто для ламп отдельных типов повторно калибруют нарезанные заготовки для окончательного отбора годных деталей, способных полностью удовлетворить высокие требования к готовым лампам.

При определении качества трубок, предназначенных для изготовления оболочек, следует обратить особое внимание на толщину стенки и ее равномерность по длине, овальность, конусность и другие нарушения геометрических параметров. Наличие заготовок с отклонениями, превышающими установленные нормы, существенно влияет на выход годных ламп и снижает качество готовых изделии.

С учетом сравнительно малых линейных размеров галогенных ламп допускается использовать исходные кварцевые трубки различной длины. Это в конечном счете влияет лишь на коэффициент их использования, поскольку при нарезании заготовок определенная часть трубок уходит в отходы. Однако более короткие исходные трубки, как правило, стабильнее по геометрическим, размерам, что способствует повышению эффективности их использования.

Немаловажным является должное хранение заготовок. Во избежание их механического повреждения и загрязнения рекомендуется хранить и переносить заготовки в специальных кассетах, уложенных в технологическую тару, которая должна плотно закрываться крышкой; заготовки в них не должны касаться друг друга. При необходимости более длительного хранения заготовок рекомендуется пользоваться герметичными шкафами, выпускаемыми промышленностью.

После резки калибровки заготовки обычно повторно очищают плавиковой кислотой. Готовые промытые и просушенные заготовки подвергают контролю и тщательному внешнему осмотру.

Как известно, основной кварцевой деталью лампы является оболочка. Назначение оболочки галогенных ламп — герметично изолировать тело накала от внешней среды и обеспечить условия его нормальной работу. Наряду с этим во многих типах ламп, особенно малогабаритных оболочка служит конструктивным остовом лампы, определяющим положение тела накала, вводов и других элементов конструкций.

Оболочка по качеству и назначению должна удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать нормальную работу лампы при температурах, определенных условиями протекания галогенного цикла;

обладать при рабочих температурах необходимой механической прочностью, достаточной для того, чтобы выдерживать значительные внутренние давления наполняющего газа;

быть прозрачной в нормальных и рабочих условиях в заданных областях спектра;

не иметь дефектов стекла и других дефектов, снижающих качество готовой лампы.

Оболочки галогенных ламп в процессе эксплуатации подвержены воздействию больших тепловых нагрузок, возникающих в результате повышенной поверхностной плотности потока излучения, обусловленной малыми габаритами ламп.

Одним из основных требований нормального протекания галогенного цикла в лампах является определенный температурный режим оболочки.

Правильный выбор геометрических размеров оболочекдиаметра, длины, а также толщины стенки имеет большое значение для обеспечения заданных параметров готовых ламп. Должные соотношения между диаметром и длиной оболочки очень важны для правильного протекания галогенного цикла в лампах. Толщина стенки существенно влияет на механическую прочность готовой оболочки и на качественное оформление узла вводов на дальнейших операциях.

Первым процессом изготовления оболочек является штенгелевание. т. е. приварка к основной трубке другой вспомогательной трубки (штенгеля), служащей для откачки и наполнения ламп. В оболочках, предназначенных для изготовления ламп пальчиковой конструкции с односторонним расположением вводов, штенгель приваривают к одному из торцов заготовки. При изготовлении оболочек для ламп в софитном исполнении с двусторонним расположением вводов штенгель приваривает к цилиндрической части заготовки, как правило, в середине заготовки, однако в зависимости от конструкции и назначения лампы возможно и другое расположение места впая штенгеля.

Для всех типов малогабаритных галогенных ламп и мощных линейных ламп с двусторонним расположением токовых вводов. Для всех этих групп ламп штеягелеванные заготовки представляют собой готовые узлы, поступающие в дальнейшем на процессы сборки ламп.

Еще одной деталью из кварцевого стекла, входящей в конструкцию многих типов галогенных ламп, является мостик. Он имеет различные назначения: в одних лампах служит для крепления крючков и поддержек для монтажа тела накала, в других — мостик является к тому же остовом для крепления токовых вводов.

Размеры и количество впаиваемых в мостик крючков и поддержек различны для разных типов ламп. Мостики изготовляются из кварцевых трубок или штабиков соответствующих размеров. В малогабаритных лампах, как правило, имеется один мостик. В лампах проекционной прожекторного типа, особенно мощных, имеются два мостика различной конфигурации Необходимо отметить, что имеющееся многообразие конструктивного оформления ламп многих типов неизбежно вызывает необходимость использования также ряда других вспомогательных деталей из кварцевого ряда и большого разнообразия технологических приемов изготовления и поузловой сборки.

2.3 Виды спаев металла со стеклом и требования к ним Достижения современной электровакуумной техники тесно связаны с успехами в области вакуумно-плотных спаев различных металлов со стеклами разных марок, в том числе и с кварцем. Обеспечение качественной вакуумной плотности токовых вводов в галогенных лампах имеет первостепенное значение.

Для получения идеального спая стекла с металлом необходимо выполнение двух основных условий:

температурные коэффициенты линейного расширения металла и стекла должны быть одинаковыми во всем интервале температур от комнатной до температуры изготовления спая;

температурные зависимости температурных коэффициентов линейного термическою расширения спаиваемых материалов и скорости их изменения должны быть равными.

При выполнении этих условий спаи называются согласованными, при невыполнении — несогласованными.

В природе нет металлов с такими низкими температурными коэффициентами линейного расширения, как у кварца; кроме того, имеются физические различия в характере изменения температурных коэффициентов линейного расширения у металлов и стекол— расширение металла следует, как правило, обычному линейному закону, а расширение стекла имеет экспоненциальную зависимость.

В повседневной жизни имеют дело с несогласованными спаями, в которых всегда имеются различия в температурных свойствах стекла и металла. Таким спаям всегда присущи температурные напряжения.

Теоретические исследования и практический опыт. показывают, что добиваться идеальных спаев путем абсолютного совпадения температурных коэффициентов линейного расширения нет необходимости. Различными конструктивными и технологическими приемами всегда можно значительно снизить температурные напряжения, а также целенаправленно создать такое благоприятное распределение напряжений в спае, которое дает желаемые результаты.

Так как идеально согласованных спаев в природе нет, обычно под термином «согласованный спай» принято называть спаи стекла с металлом, у которых температурные коэффициенты линейного расширения мало отличаются друг от друга и в рассматриваемых интервалах температур их разница не превышает допустимых пределов.

В технике накоплен большой опыт по изготовлению не только таких «согласованных» спаев, но и удовлетворительных по качеству несогласованных спаев.

Качество спая определяется в значительной степени адгезией стекла к металлу и должной подготовкой поверхности металла, геометрическими размерами спаиваемых деталей и конструктивным исполнением спая, технологическими приемами изготовления, обработки и отжига как исходных материалов, так и готового спая, правильностью расчета теплоотвода от металлических деталей, подверженных тепловым нагрузкам.

Дефекты спаев вызываются в основном появлением и действием внутренних напряжений в стекле в результате его неравномерного нагревания и охлаждения, что приводит к появлению в толще стекла отдельных зон с различной степенью деформации, которые, взаимодействуя между собой, ведут к образованию трещин, сколов, а также отлипанию стекла от металла. Поэтому при конструировании вводов нужно все это учитывать и подбирать условия таким образом, чтобы напряжения в стекле были минимальными и, что очень важно, чтобы напряжения сжатия преобладали над напряжением растяжения, поскольку предел прочности стекла на сжатие (600 —1800 МПа) значительно выше, чем на растяжение (30−50 МПа).

Кварцевое стекло по своим физическим свойствам существенно отличается от стекол остальных групп, Очень малый коэффициент термического расширения делает невозможным получение полностью согласованных спаев с металлами, поскольку у последних он значительно выше. Поэтому в кварцевых галогенных лампах для получения вакуумно-плотных соединений вынуждены пользоваться, где это возможно, несогласованными спаями. Когда использование таких спаев невозможно, применяют стекла, называемые переходными, с промежуточными температурными коэффициентами линейного расширения, близкими между собой и находящимися внутри интервала (6ч40)· 10^-7К^-1. Благодаря такому набору удается уменьшить напряжения на границах отдельных переходов до допустимых значений. Изготовление таких промежуточных переходов путем последовательного набора ряда стекол с разными коэффициентами термического расширения — трудоемких технологический процесс, однако он позволяет удовлетворительно решить проблему герметичности токовым вводов.

Хороший спай вольфрама го стеклом получается, если их температурные коэффициенты линейного расширения отличаются не больше чем на 10· 10^-7

Вакуумно-плотные соединения кварцевого стекла с металлами можно получить двумя способами:

изготовлением ленточных (фольговых) спаев, которые хотя и являются несогласованными, но при выполнении ряда требований позволяют получить вакуумно-плотные соединения;

изготовлением стержневых (проволочных) спаев с пользованием переходных стекол со значениями коэффициентов термического расширения, находящимися внутри интервала крайних значений.

Ленточными спаи называются потому, что используемый металл имеет вид тонкой гладкой неширокой фольги толщиной не более 0,01—0,05 мм и шириной не более 10 mm. В этом случае металл и стекло соприкасаются плоскими поверхностями, и так как фольга тонкая и эластичная, она легко деформируется, следуя за деформацией стекла, не вызывая при этом напряжений.

Ленточные спаи широко используются в электровакуумной технике, в том числе при изготовлении галогенных ламп многих типов. Они сравнительно легки в изготовлении и технологичны, однако пригодны только для вводов на малые точки.

Для ленточных спаев можно использовать различные металлы — вольфрам, молибден, тантал, платину, но чаще предпочитают применять молибден. Он имеет низкиий температурный коэффициент линейного расширения, хорошо прокатывается, обладает высокой пластичностью. Ввиду того что молибден легко окисляется на воздухе, при разогревании соединение его с кварцем нужно проводить либо в вакууме, либо в защитной среде водороде или инертных газах. Платину можно обрабатывать и на воздухе, поскольку она не окисляется при разогревании.

В некоторых случаях для улучшения механической прочности спая применяют вместо гладкой перфорированную или волнистую ленту.

Увеличение токовой нагрузки можно получить путем использования нескольких ленточных спаев, соединенных параллельно и размещенных либо в одной плоскости, либо по кругу цилиндрической кварцевой заготовки.

При изготовлении стержневых или проволочных токовых вводов обычно используется вольфрам. Разность температурных коэффициентов линейного расширения вольфрама и кварца равна примерно 38· 10^-7, и для ее компенсации используют обычно два — три переходных стекла. Галогенные лампы некоторых типов благодаря определенному конструктивному исполнению токовые вводов удастся изготовлять и с одним переходным стеклом. Практически доказано, что при впаивании вольфрамовой проволоки диаметром менее 1 мм однопереходный спаи дает вполне положительные результаты. Так как абсолютное значение температурного расширения проволоки небольшого диаметра меньше, чем проволоки большого диаметра, тонкая проволока при любой температуре вызывает меньшие напряжения в спаях со стеклом.

Геометрические размеру спаиваемых деталей и форма спая имеют большое значение. Одна и та же разность температурных коэффициентов линейного расширения в одном случае может вызвать опасные напряжения, а в другом случае вполне допустима. Стержневые спаи с переходными стеклами значительно более трудоемки в изготовлении, чем ленточные, но зато позволяют получать токовые вводы на большие токи.

Различают два вида сцепления стекла с металлом — механическое и химическое (окисное). При механическом сцеплении между стеклом и металлом отсутствует какой-либо промежуточный слой. К таким соединениям относятся ленточные спаи. Химическое сцепление более прочное. В этом случае между стеклом и металлом образуется тонкий промежуточный окисный слой, который частично или полностью диффундирует в стекло и растворяется в нем. Между стеклом и металлом образуется своего рода тонкий переходный, связывающий стекло металлический слой, который (благодаря своей эластичности) без разрушения следует за деформацией металла, не вызывая больших напряжений в стекле. В зависимости от режимов обработки спая вольфрам и молибден могут образовывать как механическое, так и химическое сцепление.

На прочность спая оказывают влияние газы, поглощенные металлами. При разогреве металла они выделяются и накапливаются на поверхности раздела стекла и металла в виде пузырьков. Чтобы этого избежать металл следует предварительно тщательно прокалить.

Очень существенным является изменение температуры спая в процессе эксплуатации, поскольку оно приводит к появлению новых и к перераспределению уже имеющихся напряжений в стекле. Это во многом объясняется тем, что при прохождении тока металлические токовые вводы быстро нагреваются, а отвод теплоты стеклом происходит значительно медленнее.

При конструировании следует стремиться к тому, чтобы напряжения, возникающие из-за нагрева проволоки, по возможности компенсировали существующие напряжения в стекле, а не складывались в одном направлении.

Для сохранения работоспособности стержневого спая вольфрамовая проволока, впаянная в стекло и являющаяся токовым вводом, не должна чрезмерно нагреваться в процессе эксплуатации ламп. Если в одну ножку впаяны два токовых ввода, расположенные близко, температурные условия ухудшаются и диаметр каждого из них можно увеличить до следующего за ним в таблице.

Любой токовый ввод в лампах состоит из трех частей, внутреннего звена-ввода, среднего вакуумного звена, впаиваемого в кварц и обеспечивающего вакуумноплотное соединение, и наружного звенавывода.

В отдельных типах ламп в зависимости от их конструкции роль этих частей могут выполнять только двухзвенные токовые вводы.

2.4 Токовые вводы с ленточными спаями Ленточные спаи по своей конструкции способны выдерживать значительно меньшие токовые нагрузки, чем стержневые. Они применяются для изготовления всех малогабаритных галогенных ламп, а также линейных и прожекторных ламп на максимальный ток 18—20 А. Ленточные спаи обеспечивает хорошую вакуумную плотность и высокую надежность ламп благодаря тому, что возникающие растягивающие напряжения очень малы и не превышают 1/20 сопротивления кварца на разрыв.

В зависимости от конструкции и параметров ламп в качестве вакуумного звена для таких спаев используется плоская молибденовая фольга в виде полоски толщиной 15−35 мкм, различной ширины и длины. При выборе геометрических размеров молибденовой фольги следует учитывать не только физические характеристики самого токового ввода, но конструктивное исполнение ламп, их габаритные размеры, параметры и назначение. При изготовлении ламп с двусторонним расположением токовых вводов (софитные) каждый спай является однофольговым. Условия работы фольги в этом случае более легкие, отсутствует дополнительное прогревание от соседних токовых вводов, практически нет ограничения на линейные размеры фольги. Ее можно изготовить любой необходимой по расчету ширины.

При изготовлении ламп с односторонним расположением токовых вводов (пальчиковые) рядом размещают два токовых ввода, что не позволяет в больших пределах варьировать ширину фольги. Длина фольги обоих случаях регламентируется конструкцией ламп. Большое значение для качественного исполнения спаси имеют правильные соотношения линейных размеров плоской штампованной кварцевой лопатки, молибденовой фольги и проволочных отрезков, служащих в качестве внутренних и внешних звеньев токовводов. Должно быть выдержано определенное расстояние между фольгой как с точки зрения взаимного перегревания, так и с учетом соблюдения условий электрической изоляции. В двухфольговых токовых вводах не всегда возможно выдерживать требуемые по расчету размеры фольги, приходится оптимальные компромиссные решения.

Наилучшие спаи получаются при использовании ленты, которая имеет в сечении эллиптическую форму. Для этого ее подвергают химическому травлению в смеси азотной и серной кислоты в соотношении 4:1 и затем электрическому травлению в 20%-ном растворе щелочи. Травленая лента должна иметь толщину в середине около I5—35 мкм и по краям не более 2 мкм. При травлении достигается также определенная шероховатость поверхности, что улучшает ее адгезию со стеклом.

Технологический процесс изготовления токовых вводов содержит ряд заготовительных и сборочных операций.

В качестве наружных звеньев — выводов используется молибденовая проволока диаметром 0,3—1,5 мм в зависимости от конструкции и параметров ламп.

Порядок их изготовления следующий: проволока нарезается на отрезки определенной длины, затем проволоки диаметром менее 0,8—1 мм расплющивают с одного конца. Проволоки диаметром более 1 мм труднее поддаются расплющиванию, поэтому один из концов стачивают на определенную длину до половины диаметра. Плоский конец необходим для облегчения последующей приварки молибденовой фольги и улучшения электрического контакта между свариваемыми деталями.

Для определенных типов ламп, работающих при больших токовых нагрузках либо при высокой температуре окружающей среды, используют двойные выводы. Фольгу в этом случае приваривают к месту закругления, которое также предварительно расплющивают. Возможно использование одного вывода с петлеобразным концом. Для ламп, которые изготовляются без токоведущих цоколей, применяют молибденовые выводы с прикрепленными к ним медными или никелевыми контактами.

Фольга, предназначенная для изготовления среднего вакуумного звена токового ввода, также проходит ряд операций. Молибденовую ленту толщиной 50—70 мкм разрезают на узкие полоски такой же ширины, как фольговая часть, и длиной обычно 180—200 мм. Нарезанные полоски травят в смеси азотной и серной кислот для уменьшения толщины до 40 мкм и образования шероховатости. Поверхность молибдена после травления должна быть чистой, светлой, блестящей, без пятен и загрязнении. Размеры проверяют микрометром.

Затем полоску разрезают на заготовки определенной длины и подготавливают их для соединения с наружными выводами. Эту операцию производят на монтажно-сварочном столе путем сварки фольги с выводом в двух-трех точках. Высокое качество сварки и надежность соединения получают благодаря использованию промежуточной танталовой ленты (в виде маленького отрезка, помещенного между фольгой и выводом). Для ламп ряда типов с целью улучшения механической прочности соединения молибденовую фольгу загибают в месте будущей сварки.

Качество приварки наружного звена токового ввода к молибденовой фольге имеет большое значение для надежной работы лампы.

Заготовленные соединения вакуумного и наружного звеньев токовых вводов поступают на операции сборки и монтажа тела накала.

Внутреннее звено изготовляют отдельно из вольфрамовой или молибденовой проволоки. По технологическое схеме его сначала соединяют с телом накала и потом припаривают к молибденовой фольге.

Технология изготовления внутренних звеньев следующая. Сначала проволоку очищают от аквадага перемоткой через водородную печь. Толстые проволоки диаметром 1—1,5 мм очищают электролитически. Затем проволоку рихтуют, устраняют изгибы и придают ей прямолинейный вид. После рихтовки ее разрезают на отрезки необходимой длины и зачищают концы от заусенцев. Нарезанные, отрихтованные и очищенные отрезки молибденовых проволок расплющивают в местах будущей сварки с фольгой. Так же как внутренние звенья, концы толстой проволоки сошлифовывают. Вольфрамовые проволоки применяют обычно малых диаметров, и их концы не расплющивают.

Необходимость использования для вводов вольфрама или молибдена диктуется требованиями обеспечения нормального протекания галогенного цикла в лампах. Соединение таких вводов с вольфрамовым телом накала сваркой вызывает трудности. Использование промежуточной танталовой фольги внутри объема ламп нежелательно, потому что она быстро разрушается под действием галогенных соединении и прочность сцепления ввода с вольфрамом нарушается. Поэтому ввод с телом накала для большинства типов соединяют механическим креплением, что в свою очередь вызывает необходимость придачи присоединительным элементам внутреннего звена специальной конфигурации. Заготовленные отрезки проволок формуют определенным образом и частично навивают спирали на постоянном керне. Навитые участки вводов впоследствии вручную навинчивают на спиральное тело накала; поэтому внутренний диаметр и шаг этого навитого участка ввода должны быть равны наружному диаметру тела накала и его шагу витков.

Вводы имеют различную конфигурацию в зависимости от типа и конструктивного оформления лампы. Для ламп, тело накала которых изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки с большой токовой нагрузкой, на конец, ввода, подлежащий соединению с фольгой, надевают вспомогательную спираль. Такая конструкция увеличивает механическую прочность ввода, способствует лучшей свариваемости с молибденовой фольгой и обеспечивает лучший режим работы ввода в месте контакта с фольгой.

Поверхность отформованного ввода затем очищают путем кипячения в щелочи и выдержки в соляной кислотой с последующей промывкой в воде. Последней операцией подготовки вводов является их отжиг в препарировочной печи при температуре 1100— 1200 К в течение 10—15 мин для окончательной очистки поверхности от возможных загрязнений, закрепления формы и снятия внутренних напряжений в проволоке.

Вводы являются внутренними деталями ламп, поэтому при изготовлении и обращении с ними следует соблюдать правила вакуумной гигиены.

2.5 Токовые вводы со стержневыми спаями Для ламп, работающих при токе выше 18—20 А, ленточные спаи непригодны. Такие лампы изготовляются только со стержневыми или проволочными спаями. Они надежно работают при токе до 130— 150 А. Такие спаи являются несогласованными и изготовляются с применением переходных стекол, обеспечивающих надежный вакуумно-плотный спай кварцевой оболочки с вольфрамовым вводом. Для этого приходится пользоваться различными конструктивными приемами для максимальною уменьшения вредного воздействия несогласованности температурных коэффициентов линейного расширения разных материалов и получения ненапряженных спаев.

В качестве металла для стержневых спаев применяют шлифованные вольфрамовые прутки диаметром 1,5−5 мм с тщательно очищенной поверхностью.

Прутки разрезают на отрезки необходимой длины. Резка толстых вольфрамовых проволок и прутков — трудоемкая операция и производится дисковыми алмазными кругами. Затем концы отрезков зачищают. Это делается для того, чтобы можно было легко надеть на токовый ввод смонтированное тело накала. Для мощных линейных ламп с двусторонним расположением токовых вводов используют прямолинейные отрезки проволок. Для мощных прожекторных ламп с односторонним расположением токовых вводов отрезки проволок формуют определенным образом и придают им конфигурацию, соответствующую конструкции ламп.

Механически обработанные вольфрамовые заготовки затем очищают в растворе щелочи и электролитически полируют поверхность. Целью обработок перед спаиванием является создание шелковисто-белого, слегка матового шероховатого покрытия, которое обеспечивает качественное соединение со стеклом. Для удаления адсорбированных на поверхности металла газов и окончательной очистки заготовок их отжигают в водородных печах при температуре 1200—1250 К в течение 10— 15 мин. Готовые к спаиванию стержни должны иметь чистую поверхность, без трещин, заусенцев, рваных кромок.

Токовые вводы галогенных ламп, в которых используются вольфрамовые стержни диаметром до 2—2,5 мм, изготовляют с одним переходным стеклом. При использовании и вольфрамовых стержней диаметром свыше 2,5 мм применяют три переходных стекла.

Перед сваркой остекловывают те участки стержней, которые будут соединяться с основным стеклом. При изготовлении галогенных ламп используют безокисные спаи, которые получают благодаря применению стекол с высокими температурами спаивания. При интенсивном прокаливании вольфрамового стержня до температуры белого каления образующиеся окислы быстро испаряются. Одновременно с прокаливанием металлического стержня размягчают тонкий стеклянный штабик диаметром 2—3 мм и, вращая стержень, постепенно обматывают его размягченным стеклом на необходимую длину. Для облегчения сварки на остеклованном участке стержня в определенном месте образуют выпуклость в виде бусинки или шайбы. При остекловывании металлического стержня нельзя допускать перегрева стекла и металла, как при этом образуется большое количество газовых пузырей, избавиться от которых практически не возможно. Остеклованный участок стержня должен быть равномерным по всей длине, концы должны быть округленными и иметь гладкий переход. Цвет проволоки на участке переходного слоя должен быть металлическим.